毕业设计(论文)大学生方程式赛车设计(制动与行走系统设计)(全套图纸).doc
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1、大学生方程式赛车设计(制动与行走系统设计)摘 要Formula SAE 赛事1980年在美国举办第一次比赛,现在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事,其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车,并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。中国大学生方程式赛车比赛的组织与开展始于2010年,至今已成功举办了三届。本文主要阐述了在中国大学生方程式汽车大赛组委会制定的规则下,如何设计一辆Formula SAE 赛车的制动系统。设计采用的是前盘后盘的液压双回路制动系方案。它的工作原理是利用与车身(或车架)相连的非旋转元件和与车轮(或传动轴)相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动趋
2、势,亦即由制动踏板的踏板力通过推杆和主缸活塞,使主缸油液在一定压力下流入轮缸,并通过轮缸活塞推使制动衬片夹紧制动盘产生摩擦力矩,从而产生制动力,使车轮减速直至停车。全套图纸,加153893706由于赛车本身质量较小,很多地方不能按常规的设计方法进行设计,我主要采用了市场调研的方法,先选取一些类似的车型,依据它们的制动系统结合赛车的实际情况反复验证,通过极限算法计算出完全制动时制动盘的最小尺寸。同时在极限工况下对几个危险截面的零件的强度进行了校核,使其满足要求。同时利用UG软件进行了建模,以辅助后续工作的顺利进行。关键词:Formula SAE,赛车,制动,校核 FORMULA RACING B
3、RAKE AND WALKINGSYSTEM DESIGNABSTRACTFormula-SAE launched in the USA in 1980, Formula-SAE is now an international competition for Society of Automotive Engineers student members to form teams for the purpose of designing, building and competing in a small high-performance race car.The article discus
4、ses how to design a Formula SAE cars braking system。My design uses a dual hydraulic disc front after-hours circuit brake system program.How does it work is using the friction between the non-rotating components which are connected to the body (or frame) and the rotation components which are connecte
5、d to the wheels (or drive shaft) to prevent wheel spin or turn the trend.That is, from the brake pedal for pedal force by Rod and master cylinder piston, the master cylinder oil flows into the wheel cylinders under some pressure, And through the wheel cylinder piston that brake lining clamping brake
6、 friction torque, so as to produce the braking force to the wheels to speed up to park.As the quality of the car itself is small, many places are not design by the conventional method ,I mainly uses the market research methods, firstly I selected some similar models ,combinating their braking system
7、s and the actual car,I repeatedly verified. by the limit of complete braking algorithm the minimum size of the brake disc.At the same time in extreme conditions,I verified the strength on several dangerous section of parts ,to meets the requirements. At the same time I made use of UG software modeli
8、ng. KEY WORD: Formula SAE, racing, brake,design常 用 符 号 表L 汽车轴距, mma 汽车满载时总质量,kgG1 满载前轴负荷,Nhg 质心高度,mmL1 质心距前轴距,mmL2 质心距后轴距,mmRe 车轮有效半径,mmRr 车轮滚动半径,mmZ1 地面对前轴的法向反力,NZ2 地面对后轴的法向反力,NFf1 前轴车轮的制动器制动力,NFf2 后轴车轮的制动器制动力,NFB1 前轴车轮的地面附着力,NFB2 后轴车轮的地面附着力,Na 制动减速度g 重力加速度 轮胎与地面的附着力FB 汽车承受的总的地面制动力Tf 制动器对车轮的制动力矩V 汽
9、车行驶速度 制动力分配系数 地面附着系数 制动轮缸的活塞行程,mmdw 轮缸直径,mmVm 主缸工作容积,目 录第一章 概述11.1制动系统设计的意义11.2制动系统研究现状11.3大学生方程式赛车制动规则和要求21.3.1 制动系统概况21.3.2 制动测试2第二章 制动系统方案论证分析与选择32.1 制动器形式方案分析32.1.1 鼓式制动器32.1.2 盘式制动器42.2 制动驱动机构的机构形式选择52.2.1 简单制动系62.2.2 动力制动系62.2.3 伺服制动系72.3 液压分路系统的形式的选择72.4 液压制动主缸的设计方案9第3章 制动系统设计计算113.1 制动器主要零部件
10、的结构设计113.2 制动系统主要参数数值113.2.1 同步附着系数的分析123.2.2 地面对前、后轮的法向反作用力123.2.3 盘式制动器主要参数确定13第四章 盘式制动器的设计计算164.1 盘式制动器制动力矩的计算164.2制动力与制动力分配系数174.3 制动器热容量和温升的核算214.4摩擦衬片磨损特性的计算22第五章 液压制动驱动机构的设计计算245.1 制动轮缸直径与工作容积245.2 制动主缸直径与工作容积255.3 制动踏板力与踏板行程265.4 制动性能计算28第六章 行走系统的设计296.1 汽车行驶系统概述296.1.1 轮毂的设计306.1.2 立柱的设计306
11、.2制动盘座体的设计326.2.2 销的校核346.2.3 花键的校核38第七章 结 论41参考文献42致 谢 44附 录45第一章 概 述1.1 制动系统设计的意义汽车是现代交通工具中用得最多、最普遍、也是运用得最方便的交通工具。汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统,它是制约汽车运动的装置,而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置,是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大,人们对安全性、可靠性的要求越来越高,为保证人身和车辆安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。本次毕业设计题目为大学生方程式赛车制动系与行走系统
12、设计。1.1.1 制动系统的重要性汽车作为陆地上的现代重要交通工具,有许多保证其使用性能的大部件,即所谓“总成”组成,制动系就是其中一个重要的总成。它既可以使行驶中的汽车减速,又可以保证停车后的汽车驻留原地不动。由此可见汽车制动系对于汽车行驶的安全性和停车的可靠性起着重要的保证作用。当今,随着高速公路网的不断扩展、汽车车速的提高以及车流密度的增大,对汽车制动系的工作可靠性要求显得日益重要。因为只有制动性能良好、制动系工作可靠的汽车才能充分发挥出其高速行驶的动力性能并保证行驶的安全性。由此可见,制动系是汽车非常重要的组成部分,从而对汽车制动系的结构分析与设计计算也就显得非常重要了。1.1.2 行
13、走系统的功用汽车行走系统的功用是:1、将发动机传到驱动轮上的驱动转矩变为推动汽车行驶的驱动力,并使驱动轮的转动变成汽车在地面上的移动。2、传递并承受路面作用于车轮上的各向反力及其所形成的力矩。3、尽可能缓和不平路面对车身造成的冲击和振动,保证汽车行驶平顺性,且与汽车转向系很好地配合工作,实现汽车行驶方向的正确控制,以保证汽车操纵稳定性。4、支承汽车的全部重量。1.2制动系统研究现状车辆在形式过程中要频繁进行制动操作,由于制动性能的好坏直接关系到交通和人身安全,因此制动性能是车辆非常重要的性能之一,改善汽车的制动性能始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。当车辆制动时,由于车辆受到与行驶方向相反
14、的外力,所以才导致汽车的速度逐步减小到0,对这一过程中车辆受力情况的分析有助于制动系统的分析和设计,因此制动过程受力情况分析是车辆试验和设计的基础,由于这一过程较为复杂,因此一般在实际中只能建立简化模型分析,通常人们从三个方面来对制动系统进行分析和评价:1、制动效能:即制动距离与制动减速度;2、制动效能的恒定性:即热衰退性;3、制动时汽车方向的稳定性;目前,对于整车制动系统的研究主要通过路试或台架进行,由于在汽车道路试验中车轮扭矩不易测量,因此,多数有关制动系的试验均通过间接测量来进行汽车在道路上的行驶,其车轮与地面的作用力是汽车运动变化的根据,在汽车道路试验中,如果能够方便地测量出车轮上扭矩
15、的变化,则可为汽车整车制动性能研究提供更全面的试验数据和性能评价。1.3大学生方程式赛车制动规则和要求1.3.1 制动系统概况赛车必须配备有刹车系统。并且作用于所有四个车轮上,而且只被一个控制器控制。1、它必须有两套独立的液压回路,以防系统泄漏或失效时,至少在两轮上还保持有有效的制动力。每个液压回路必须有其专属的储油罐(可用独立储油罐或用原厂的储油罐)。2、单个刹车作用时,有限的滑移差是可以接受的。3、刹车系统必须在以下的测试中,能够抱死所有四个轮。4、线控制动是禁止的。5、没有保护的塑料刹车线是禁止的。6、刹车系统必须装有碎片护罩,以防传动系失效或小碰撞(引起的碎片破坏制动系统)。7、从侧面
16、看,安装在赛车簧上(簧上质量:指悬架支撑的质量)部分上的刹车系统的任何部分都不可以伸到车架或者承载式车身的下表面以下。1.3.2 制动测试制动系统将在动态中测试。测试时,赛车将首先在制动检查官规定的直赛道上加速,在直道末端,带车必须制动至静止,并且要求四轮抱死且不跑偏。第二章 制动系统方案论证分析与选择2.1 制动器形式方案分析汽车制动器几乎均为机械摩擦式,即利用旋转元件和固定元件两工作表面间的摩擦产生的制动力矩使汽车减速或停车。一般摩擦式制动器按旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。2.1.1 鼓式制动器鼓式制动器是最早形式汽车制动器,当盘式制动器还没有出现前,它已经广泛应用于各类汽车上。鼓式
17、制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有 圆弧形摩擦蹄片的制动蹄,后者则安装在制动底板上,而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半轴套管的凸缘上,其旋转的摩擦元件作为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮毂上。制动时,利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦蹄片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩,故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带,其旋转摩擦元件为制动鼓,并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面,产生摩擦力矩作用于制动鼓,故又称为带式制动器。在汽车制动系中,带式制动器
18、曾仅用作一些汽车的中央制动器,通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构,鼓式制动器按蹄的类型分为:1、领从蹄式制动器;2、双领蹄式制动器;3、双向双领蹄式制动器;4、单向增力式制动器。图2-1 双向双领蹄式制动器 但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差,容易导致制动效率下降。因此,在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本低,仍然在一些经济型车中使用,主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。2.1.2 盘式制动器盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。图2-2 盘式制动器结构图一、钳盘式钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳
19、盘式制动器等。1、定钳盘式制动器:这种制动器中的制动钳固定不动,制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点:除活塞和制动块外无其他滑动件,易于保证制动钳的刚度;结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多,容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革,能很好地适应多回路制动系的要求。2、浮钳盘式制动器:这种制动器具有以下优点:仅在盘得内侧具有液压缸,故轴向尺寸小,制动器能进一步靠近轮毂;没有跨越制动盘的油道或油管,液压缸冷却条件好,所以制动液汽化的可能性小;成本低;浮动盘的制动块可兼用驻车制动。二、全盘式在全盘制动器中,摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形,制动时各盘摩擦表面全部接触,其作用原理
20、与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差,其应用远远没有钳盘式制动器广泛。盘式制动器与鼓式制动器相比,有以下优点:1、制动效能稳定性好;2、制动力矩与汽车运动方向无关;3、易于构成双回路,有较高的可靠性和安全性; 4、尺寸小、质量小、散热好;5、制动衬块上压力均匀,衬块磨损均匀;6、更换衬块工作简单容易。7、衬块与制动盘间的间隙小,缩短了制动协调时间。8、易于实现间隙自动调整。综合以上优缺点最终确定本次设计采用前后盘式制动器,且均为浮钳盘式制动器。2.2 制动驱动机构的机构形式选择根据动力源的不同,制动驱动机构可分为简单制动、动力制动及伺服制动三大类型。而力的传递方式又有机械式、液压式、
21、气压式、气压-液压式的区别。2.2.1 简单制动系 a) b) 图2-3 驻车制动操纵机构结构图(a)、人力液压制动系统工作原理图(b)简单制动系即人力制动系,是靠司机作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源。而传力方式有机械式和液压式两种(如图2-3)。机械式的靠杆系或钢丝绳传力,其结构简单,造假低廉,工作可靠,但机械效率低,因此仅用于中、小型汽车的驻车制动装置中。液压式的简单制动系统通常称为液压制动系,用于行车制动装置。其优点是作用滞后时间短(0.1-0.3s),工作压力大(可达10MPa-12MPa),缸径尺寸小,可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构,使之结构简单、紧
22、凑、质量小、造价低。但其有限的力传动比限制了它在汽车上的适用范围。另外,液压管路在过渡受热时会形成气泡而影响传输,即产生所谓“气阻”使制动效能降低甚至失效;而当气温过低时(-25摄氏度和更低时),由于制动液的粘度增大,使工作的可靠性降低,以及当有局部损坏时,使整个系统都不能继续工作,液压式简单制动系曾广泛用于轿车、轻型及以下的货车和部分中型货车上。但由于操作较沉重,不能适应现代汽车提高操作轻便性的要求,故当前仅多用于微型汽车上,在轿车和轻型汽车已经极少采用。2.2.2 动力制动系动力制动系是以发动机动力形成的气压或液压势能作为汽车制动的全部力源进行制动,而司机作用于制动踏板或手柄上的力仅用于对
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